一种基于车载重力加速度传感器的桥头跳车检测评价方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于路面质量检测和信息自动采集技术领域，具体涉及一种基于车载重力 加速度传感器的桥头跳车检测评价方法。
【背景技术】
[0002] 近些年来，我国公路建设取得了突飞猛进的成绩，投入运营和使用的高等级公路 逐年增加，但从使用情况上看，由桥头跳车产生的经济损失和交通事故却逐步上升，尤其在 一些软土地基的区域更为严重，给养护和管理部门带来了巨大困难。桥头跳车现象是桥涵 构造物等在本身自重及常年行车荷载的作用下产生的路桥不均匀沉降，导致路桥接头出现 桥头台阶，当高速行驶的车辆通过台背回填处时产生的跳跃颠簸现象。
[0003] 目前，桥头跳车的研宄主要集中于其产生的原因、危害及对策方面，而缺少对桥头 跳车发育程度的监测和判断。仅仅依靠工程防治措施，很难满足对桥头跳车现象的治理，它 只能是被动的利用工程施工措施对已经发生的病害进行改善，而无法预防或阻止事故的发 生。而且在事故发生时也不能减小事故危害，在实际的运营过程中应该充分发挥主动性，合 理的针对桥头跳车现象进行检测和处治，提前预防事故的发生。
[0004] 传统的桥头跳车检测方式大都基于道路平整度的检测方法，如三米直尺法、水准 仪测量法、连续平整度仪、颠簸累积仪等等，这些方法不仅操作麻烦，使用和养护成本昂贵， 而且对测量环境要求高。测量的高程差参数也很难对养护维修提供直观有效的数据支持。 因此需要一种快速、经济、直观的桥头跳车检测评价技术。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种基于车载重力加速度传感器的桥头跳车检测评价方 法，用于解决传统桥头跳车检测方法耗时费力，成本昂贵等问题，并提出新的评价参数用来 准确评价桥头跳车产生的影响。具体要解决的技术问题是，对车载重力加速度传感器采集 的数据进行建模分析，找到影响人体行驶舒适性影响的关键参数，并提供量化这些影响的 方法，建立通用性的检测方法和评价参数。
[0006] 本发明提出的基于车载重力加速度传感器的桥头跳车检测评价方法，利用车载加 速度传感器采集车辆加速度数据进而评价桥头跳车，利用加权加速度均方根值和行驶烦恼 率来表征桥头跳车产生的舒适性影响；根据系统响应理论，建立车辆簧载加速度变化与轮 底加速度变化的相关模型，进而求解当量冲击系数来表征桥头跳车的耐久性损坏影响，具 体步骤如下： (1)选取合适的重力加速度传感器，量程满足±8g要求，采样频率为20Hz，将所述重 力加速度传感器安置于车内的左右后轮正上方位置； (2)选取合适的Zigbee远程传输模块以及GPS设备；所述Zigbee远程传输模块与重 力加速度传感器互联，用于发送重力加速度传感器采集的车内加速度数据；利用GPS设备 采集位置信息数据及系统时间； (3) 根据交通流情况，确定测试车速，保证测试车辆在该速度下稳定行驶，建议车速为 5〇-60km/h ； (4) 检测车辆以测试车速驶过桥头跳车发生的路桥引渡段位置，通过重力加速度传感 器采集在该路桥引渡段行驶的Z轴加速度及GPS信息，并依托Zigbee远程传输设备将检测 数据向电脑进行实时的传输和储存； (5) 利用小波变换对步骤（4)中采集到的Z轴加速度数据进行分解，滤除高频数据，保 留低频加速度图谱，确定加速度变化最大值，即桥头跳车颠簸产生点； (6) 根据维纳-辛钦公式，计算颠簸点前后I. 5s内所采集到的加速度数据的自相关函 数，并通过傅立叶转换，得到加速度功率谱密度； (7) 利用三分之一倍频程的方法对步骤（6)所获得功率谱密度进行带通滤波，对每个 波段进行积分，并计算积分开方值，求解在不同频域间的功率谱密度均方根值：
【主权项】
1. 一种基于车载重力加速度传感器的桥头跳车检测评价方法，其特征在于利用车载加 速度传感器采集车辆加速度数据进而评价桥头跳车，利用加权加速度均方根值和行驶烦恼 率来表征桥头跳车产生的舒适性影响；根据系统响应理论，建立车辆黃载加速度变化与轮 底加速度变化的相关模型，进而求解当量冲击系数来表征桥头跳车的耐久性损坏影响，具 体步骤如下： (1)选取合适的重力加速度传感器，量程满足±8g要求，采样频率为20化，将所述重 力加速度传感器安置于车内的左右后轮正上方位置； (2) 选取合适的Zigbee远程传输模块W及GI^S设备；所述Zigbee远程传输模块与重 力加速度传感器互联，用于发送重力加速度传感器采集的车内加速度数据；利用GI^S设备 采集位置信息数据及系统时间； (3) 根据交通流情况，确定测试车速，保证测试车辆在该速度下稳定行驶，建议车速为 5〇-60km/h； (4) 检测车辆W测试车速驶过桥头跳车发生的路桥引渡段位置，通过重力加速度传感 器采集在该路桥引渡段行驶的Z轴加速度及GI^S信息，并依托Zigbee远程传输设备将检测 数据向电脑进行实时的传输和储存； 妨利用小波变换对步骤（4)中采集到的Z轴加速度数据进行分解，滤除高频数据，保 留低频加速度图谱，确定加速度变化最大值，即桥头跳车颠鑛产生点； (6) 根据维纳-辛钦公式，计算颠鑛点前后1. 5s内所采集到的加速度数据的自相关函 数，并通过傅立叶转换，得到加速度功率谱密度； (7) 利用=分之一倍频程的方法对步骤（6)所获得功率谱密度进行带通滤波，对每个 波段进行积分，并计算积分开方值，求解在不同频域间的功率谱密度均方根值：
式中；为第个波段内的功率谱密度均方根值，五,为波段内频率下限，为波段内 频率上限，6。(/)为加速度功率谱密度； (8) 根据国际标准IS02631中提出的轴向、位点加权系数进行数据加权，求解加权加速 度均方根值：
式中，^为加权加速度均方根值，M'i为频率加权系数，tj?为轴向加权系数，7^1，2, 3分 别代表乂ZS轴，》为波段数，一般取77=23; (9) 根据加权加速度均方根值与人体感受性差异分布函数，求解行驶烦恼率：
式中，;，虹)为概念隶属度函数，/w表征了人体的感受性差异，巧X)为烦恼率. (10)求解车内Z轴加速度功率谱密度均方根值，根据四分之一车模型的力学特征，利 用系统响应模型，预估轮底加速度数据的当量幅值，建立桥头跳车系统响应模型；
式中，如为车内碰I加速度的功率谱密度函数，馬?(W)为系统响应的拉氏变换系数， 姑为谱密度均方值，a,.为轮底加速度的预估值，W为角速度； (11) 当量冲击系数定义为桥头跳车发生时车辆对桥梁结构产生的最大竖向动力比上 桥前平稳行驶的竖向动力的增大系数，将步骤（10)中方程带入计算式中：
式中，/I为当量冲击系数，为最大竖向轮底加速度，为平稳行驶时汽车的竖向轮 底加速度，?为车辆质量，\，^2为标定系数，当测试车辆不发生改变时，该变量为常数，若 首次测量，需标定，为桥头跳车发生时的加速度功率谱密度，心）为平稳行驶时 的加速度功率谱密度； (12) 如果测量速度不在50-60缸?/A范围内，则需利用速度修正系数进行结果校正。
【专利摘要】本发明涉及一种基于车载重力加速度传感器的桥头跳车检测评价方法，选取重力加速度传感器，采样频率及Zigbee远程传输模块和GPS设备；确定建议车速；通过重力加速度传感器采集在桥头跳车路段行驶的重力加速度信息；对重力加速度数据进行小波变换，找到桥头跳车颠簸产生点；颠簸点周围加速度数据通过离散傅里叶转换后得到功率谱密度；利用三分之一倍频程方法求解不同频域间的谱密度均方根值；根据加权加速度均方根值及舒适性上下限，求解行驶烦恼率；利用系统响应算法及拉氏变换，求解桥头跳车的当量冲击系数；根据加权加速度均方根值和烦恼率对桥头跳车的舒适性进行分级；根据当量冲击系数对桥头跳车的耐久性破坏进行分级；本发明解决传统检测方法耗时费力，价格昂贵等问题。
【IPC分类】G01N33-00
【公开号】CN104792937
【申请号】CN201510154084
【发明人】刘成龙, 杜豫川, 孙立军, 李思雨
【申请人】同济大学
【公开日】2015年7月22日
【申请日】2015年4月2日